OFDM基本原理(詳細(xì)全面)

1、.1趙拯2012.10.11.2 背景介紹 基本原理系統(tǒng)模型 頻偏f 仿真結(jié)果.3背景介紹 OFDM的思想追溯到的思想追溯到20世紀(jì)世紀(jì)60年代，當(dāng)時人們對多載波調(diào)制年代，當(dāng)時人們對多載波調(diào)制做了很多理論上的工作，論證了在存在做了很多理論上的工作，論證了在存在ISI的帶限信道上采用多載的帶限信道上采用多載波調(diào)制可以優(yōu)化系統(tǒng)的傳輸特性；波調(diào)制可以優(yōu)化系統(tǒng)的傳輸特性；1970年年1月，月，OFDM的專利的專利被第一次公開發(fā)表；第二年，被第一次公開發(fā)表；第二年，Weinstein和和Ebert在在IEEE雜志上雜志上發(fā)表了用發(fā)表了用DFT實現(xiàn)多載波調(diào)制的方法；實現(xiàn)多載波調(diào)制的方法；80年代，人們對多

2、載波年代，人們對多載波調(diào)制在高速調(diào)制解調(diào)器、數(shù)字移動通信等領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了較調(diào)制在高速調(diào)制解調(diào)器、數(shù)字移動通信等領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了較為深入的研究，但由于技術(shù)條件的限制，多載波調(diào)制沒有得到廣為深入的研究，但由于技術(shù)條件的限制，多載波調(diào)制沒有得到廣泛的應(yīng)用；泛的應(yīng)用；90年代，由于數(shù)字信號處理和大規(guī)模集成電路技術(shù)的年代，由于數(shù)字信號處理和大規(guī)模集成電路技術(shù)的進(jìn)步，進(jìn)步，OFDM技術(shù)在高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域受到了人們的關(guān)注。技術(shù)在高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域受到了人們的關(guān)注。由于由于其近年來在個人無線通信及多媒體通信方面所表現(xiàn)出來的良好性其近年來在個人無線通信及多媒體通信方面所表現(xiàn)出來的良好性能，已被廣泛的應(yīng)用于無

3、線局域網(wǎng)、能，已被廣泛的應(yīng)用于無線局域網(wǎng)、DAB、DVB系統(tǒng)，系統(tǒng)，OFDM技術(shù)將會成為下一代移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。技術(shù)將會成為下一代移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。.4 眾所周知無線通信傳輸信號的路徑有很多，這就是所謂的多徑效應(yīng)，OFDM的最初提出是為了解決多徑效應(yīng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?。高?shù)據(jù)傳輸速率使得符號周期非常小，如果符號傳輸出現(xiàn)多徑時延，可能會影響到后面好幾個符號。多載波調(diào)制可以把高數(shù)據(jù)流分成很多個低數(shù)據(jù)流，這樣就使符號周期增大了，從而大大減弱符號間干擾（ISI），如果在符號間加上保護間隔，可以完全消除上面提到的ISI。如果從帶寬頻域解釋OFDM解決ISI的角度，符號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬（相

4、關(guān)帶寬內(nèi)幅度恒定，線性相位），信號在信道內(nèi)只有平坦衰落。 .5 正交頻分復(fù)用的技術(shù)關(guān)鍵就是實現(xiàn)并保護好子載波間的正交性，接受端收到的信號x(t)與子載波相乘后通過積分器，不同頻率的載波相乘積分后為零，只有相同載波積分后得到原始符號。正是由于每個子載波的正交性，我們可以是子載波的頻譜重疊并靠近Nyquist 帶寬，從而大大提高了頻譜的利用率，所以非常適合移動場合中的高速傳輸。多徑傳輸?shù)姆柛蓴_時個頭疼的問題，OFDM為解決這樣的問題在符號間加上保護間隔內(nèi)，保護間隔可以不傳輸任何信號。這樣的情況下仍然解決不了信道間干擾（ICI），子載波之間的正交性遭到破壞，接收端就不能很好的恢復(fù)出原始信號，這點是

5、毀滅性的。OFDM的解決方法是把符號后面長度是Tg（保護間隔的長度）的部分拿到每個符號的前面當(dāng)做保護間隔來傳輸，這種方法就叫做循環(huán)前綴。這樣就使得在FFT周期內(nèi)，OFDM符號的延時副本所包含的波形的周期個數(shù)是整數(shù)，從而解決了ICI。將原符號塊最后信號放到原符號塊的前部，構(gòu)成新序列，時域中原來發(fā)送信號與信道響應(yīng)的線性卷積變?yōu)閳A周卷積。.6映射一個OFDM信號由一組子載波信號相加所組成，每個子載波信號包含M相位位移鍵信號(M-PSK)或正交振幅調(diào)變信號(QAM)以前我們學(xué)習(xí)可以用信號的振幅、相位和頻率來調(diào)制載波，但是對于OFDM我們只能用前面兩個，因為子載波的頻率正交，帶有獨立的信息，頻率調(diào)制可能

6、會破壞子載波的正交性串列轉(zhuǎn)並列訊號映射串列資料輸入0100 1001 110001 110 100 001 0D0D1D2D3.7 I-Q diagram的前身是Polar diagram必要性：若要設(shè)計一個接收線路偵測相位微小的變化，復(fù)雜度會很高，而相差90度的兩個正弦波由于互相正交而很容易被分離出來。轉(zhuǎn)變：I=Acos() Q=Asin()星座圖.8調(diào)制原理The transmitted signal is)exp(k)sx(t)1-N0nntjwn.9 Since x(t) has limited bandwidth,it can be represented by its N samp

7、les.Then x(m) can be regarded as the IFFT of the sequence Si(k),i=0,1,N-1. x(t)=Resi(k)expj2(fc+k/T)t注:取實部的原因是因為載波形式是cos(j2fit),如果指數(shù)形式則可以直接去掉就像上面說的對x(t)過采樣之后t=mT/N,fc=0 x(m)=si(k)exp(j2km/N) .10解調(diào)原理.11Ts是采樣間隔，v是整數(shù)，max/Ts=v,其中max是延時.12系統(tǒng)模型上變頻：中頻調(diào)制到高頻.13信道編碼：將要傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行編碼，此時可用任何錯誤更正碼加以編碼保護交織：將編碼完的信號作適度的

8、打散，此過程防止一連串錯誤，造成錯誤更正碼也也發(fā)生一連串錯誤，而無法更正錯誤QAM調(diào)制：選定調(diào)制方式，有BPSK、QPSK,、QAM等，此步驟，只有將信號對應(yīng)至調(diào)變方式之對對位置，而產(chǎn)生所需的大小及相位，并並無真正將信號調(diào)制傳輸插入導(dǎo)頻：將已知值放入信號流中，這些已知值將在解調(diào)時可幫助還原正確信號Serial to Parallel：將串行信號改成并行方式，此時信號長度則變成原來的N倍，其中N是子載波的個數(shù)IFFT：利用IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)，將信號做一個轉(zhuǎn)換，可以理解為離散頻域轉(zhuǎn)變成離散時域，如同信號分別乘上不同子載波頻率一樣插入保護間隔并加

9、窗：信號尾端的部分移到信號前端，減少多徑干擾對系統(tǒng)的影響，并且乘上窗函數(shù)，減少接收到二個信號之間可能因為極不連續(xù)的相角變化而產(chǎn)生的高頻信號定時同步和頻率同步：此步驟確定系統(tǒng)接收端與信號時間和頻率上的同步，估測信號的好壞，大大影響系統(tǒng)的錯誤率，是此系統(tǒng)中最重要的一個步驟信道校正：根據(jù)對導(dǎo)頻的觀察，推測信號受到通道的干擾，來還原初始信號.14頻偏f對系統(tǒng)的影響 OFDM系統(tǒng)中對同步的要求很高，對于要求子載波保持嚴(yán)格同步的正交頻分復(fù)用系統(tǒng)來說，載波的頻分偏移所帶來的影響會更加嚴(yán)重，因此對頻率偏差敏感是OFDM系統(tǒng)的主要缺點之一 載波同步是指接收端的振蕩頻率要與發(fā)送載波同頻同相 如果頻率偏差是子載波間

10、隔的n(n是整數(shù))倍，雖然子載波之間仍然能夠保持正交，但是頻率采樣值偏移了n個子載波的位置，造成映射在OFDM頻譜內(nèi)的數(shù)據(jù)符號的誤碼率是0.5 如果載波偏差不是載波間隔的整數(shù)倍，則在子載波之間就會存在能量的“泄露”，導(dǎo)致子載波之間的正交性遭到破壞，從而在子載波之間引入干擾，使得系統(tǒng)的誤碼率性能惡化我我不不知知道道為為什么什么？.15 有限個子載波的情況 bk,i=1/N ak,i表示第i個符號周期的第l個子載波上的原始符號，bk,i表示ak,i經(jīng)過IFFT輸出yk,i=exp(jo)bk,iexp(j2fTk/N) 表示接受端FFT之前的輸入，其中o表示接受端振蕩器的相位與射頻載波相位的差zm

11、,i=1/Nexp(jo) 帶入上面值以后把后面的部分用Cl-m代替，定義為對應(yīng)N個輸入數(shù)據(jù)符號對輸出數(shù)據(jù)符號所作出的貢獻(xiàn)，而這種貢獻(xiàn)往往取決于頻率歸一化偏差fT和子載波距離lk/N)(j2exp1 -N0,lila1-0k1-N0lf)/N)m-k(lexp(j2,NilafT)m-)(lN1-N(jexp)NfT)m-(l(sinfT)m-(l(sina)(jexp1z1 -N0lil,0,Nim.16ft)dtt)exp(j2f(-j2expt)f(j2expa1zml,01 -0TNlilimT 相關(guān)方法分析ICI fl 是發(fā)射前IFFT乘以的子載波頻率 fm 是接受以后FFT乘以的子

12、載波頻率,f是它們的差同樣我們用一個系數(shù)來定義ICI,Il-m總結(jié)：其實兩種方法的結(jié)果是可以統(tǒng)一的，有限個子載波的貢獻(xiàn)系數(shù)Cl-m 取極限就可以得到Il-mfTm- lfTfTfT)sin(fT)exp(jfT)m-(l21-fT)m-(l(j2expI-jml.17 頻偏引起的信噪比損耗和干擾自消除 理論上損失時隨著fT的增加而逐漸變大的，但是我還沒有仿真。這后意味著如果只采用提高發(fā)送功率的方法，并不能真正改善OFDM系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)接收機內(nèi)進(jìn)行之前所能得到的信噪比并不會有太大的改善，這就是我們所說對系統(tǒng)性能帶來的非常嚴(yán)重的地板效應(yīng)。 Zhao和Haggman給出了一種降低OFDM系統(tǒng)對頻率

13、偏差敏感程度的方法，被稱之為自干擾消除，以犧牲系統(tǒng)的帶寬效率為代價獲得性能的改善。我主要看了前面兩種方法，constant方法和linear方法，這里簡單介紹constant。該方法將被發(fā)送的數(shù)據(jù)符號映射到相鄰的兩個子載波上，且使得數(shù)據(jù)符號滿足：a0,i=a1,i;a2,i=a3,i;.aN-2,i=aN-1,i 以序列為0的子載波為例 z0,1=exp(jo) (c0-c1)a0,i+(c2-c3)a2,i+.+(cN-2-cN-1)aN-2,i 根據(jù)上述公式可以看到，ICI主要取決于相鄰加權(quán)系數(shù)ci-ci+1的差值，而不再由加權(quán)系數(shù)ci來直接控制。由于相鄰加權(quán)系數(shù)之間的差值一般都比較小，所以這種方法會降低OFDM系統(tǒng)內(nèi)的ICI。一般情況下，相鄰的加權(quán)系數(shù)都不是恒定值，所以以上方法很快被linear取代.18 仿真 一幀6個OFDM符號，128個并列子載波，每個子載波兩位比特，保護間隔32個長度單